Inhaltsverzeichnis
- Kontaktwiderstand: Sichere Verbindungen in der Elektrotechnik
- Wie hoch darf der Kontaktwiderstand sein?
- Den Kontaktwiderstand berechnen
- Kontaktwiderstand-Tabelle: 4 Materialien mit hoher Leitfähigkeit
- Was ist ein thermischer Kontaktwiderstand?
- Verschiedene Bezeichnungen für Kontaktwiderstand
Der Kontaktwiderstand ist der Widerstand, der in einer elektrischen Kontaktierung oder Verbindung auftritt. Er entsteht aufgrund von verschiedenen Faktoren wie Oberflächenrauheit, Oxidbildung, Verschmutzung oder unzureichendem Anpressdruck.
Kontaktwiderstand: Verbindungen in der Elektrotechnik
Werden zwei elektrische Kontakte miteinander verbunden, entsteht an der Schnittstelle ein Widerstand, der im Allgemeinen als Kontaktwiderstand bezeichnet wird.
Der Kontaktwiderstand kann in verschiedenen elektrischen und elektronischen Systemen vorkommen — sowohl bei einfachen Schaltungen, als auch bei komplexen Anlagen in der Industrie.
Faktoren für die Entstehung von Kontaktwiderstand sind:
- Oberflächenbeschaffenheit der Materialien
- Zu wenig Anpressdruck
- Oxidbildung bei Kontakt mit Sauerstoff
- Kontamination
- Zwischenräume
Selbst mikroskopisch kleine Unebenheiten stellen eine Barriere für den Stromfluss dar und haben einen erhöhten Widerstand zur Folge.
Diese Erhöhung des Kontaktwiderstandes kann deutliche Auswirkungen auf die Leistung eines ganzen Systems haben, welche sich in einer Verschlechterung der elektrischen Verbindung äußern und im schlimmsten Fall sogar zu einem kompletten Versagen führen.
Wie hoch darf der Kontaktwiderstand sein?
Wie hoch der zulässige Kontaktwiderstand sein darf, hängt von der spezifischen Anwendung und den Standards des dazugehörigen Systems ab.
Meistens ist jedoch ein niedriger Wert wünschenswert, denn ein zu hoher Kontaktwiderstand kann zu übermäßiger Wärmeentwicklung führen.
Das Resultat ist eine fehlerhafte elektrische Verbindung.
Grenzwerte für Kontaktwiderstand
Deshalb gibt es Normen, Standards und Herstellerdokumentationen in denen die Grenzwerte für den Kontaktwiderstand verschiedener Verbindungen festgelegt sind.
In der Hochleistungselektronik können die zulässigen Werte sogar im Bereich Mikroohm (μΩ) oder Nanooohm (nΩ) liegen.
Ausschlaggebend für eine hohe Lebensdauer ist auch die Wahl des optimalen Kontaktwertstoffes, sowie der Kontaktform.
Der Kontaktwiderstand ist davon abhängig ob es sich um Kontaktteile in Form von Relais, Steckverbindern oder Steckern handelt.
Darüber hinaus, gibt es noch viele andere Arten von Kontaktteilen für verschiedene Geräte und spezifische Anwendungen.
Beseitigung störender Kontaktwiderstände
Störende Kontaktwiderstände können durch regelmäßige Überprüfung und Wartung der Verbindungen beseitigt werden.
Ein häufiger Grund für Spannungsverluste und Leistungsabfälle sind unsaubere Kontaktoberflächen. Durch Verunreinigungen wie Schmutz oder Fett, kann sich der Kontaktwiderstand erhöhen.
Um eine gute elektrische Verbindung zu gewährleisten ist eine regelmäßige Reinigung und bedarfsweise auch eine Politur notwendig.
Umso sicherer die Verbindung ausgeführt wurde, desto geringer fällt der Widerstand an der Kontaktstelle aus.
Für die Überprüfung gibt es spezielle digitale oder analoge Messgeräte, mit denen man den Kontaktwiderstand messen kann.
Den Kontaktwiderstand berechnen
Der Kontaktwiderstand kann auf verschiedene Arten berechnet werden, abhängig von den spezifischen Eigenschaften der Kontaktierung und den verfügbaren Informationen.
2 Methoden zur Berechnung des Kontaktwiderstands
Durch den Spannungsabfall und den Strom:
Wenn der Strom I durch den Kontakt und der Spannungsabfall U über dem Kontakt bekannt sind, kann der Kontaktwiderstand R mithilfe des Ohmschen Gesetzes berechnet werden.
Das ohmsche Gesetz
{R} = {\frac U {I}}Diese Methode erfordert die Messung des Spannungsabfalls über dem Kontakt und des Stroms, der durch den Kontakt fließt.
Durch den spezifischen Kontaktwiderstand:
Der spezifische Kontaktwiderstand ρ ist eine Materialkonstante, die den Widerstand eines bestimmten Kontaktmaterials angibt.
Er wird in Ohm-Meter Ω·m angegeben. Um den Kontaktwiderstand R für eine gegebene Kontaktfläche A zu berechnen, kann die folgende Formel verwendet werden:
Diese Methode erfordert Informationen über den spezifischen Kontaktwiderstand des verwendeten Materials und die Kontaktfläche.
Es gibt weitere Methoden, um den Kontaktwiderstand zu messen und zu berechnen. Welche sich eignet, muss in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Kontaktierung entschieden werden.
Kontaktwiderstand
Der Kontaktübergangswiderstand setzt sich aus der Summe der beiden Anteile Engewiderstand und Fremdschichtwiderstand zusammen.
{R_{K}} ≜ Kontaktwiderstand
{R_{E}} ≜ Engewiderstand
{R_{F}} ≜ Fremdschichtwiderstand
{R_{L1}}={\frac I {σ*A}}
{R_{L2}}={R_{L1}} + {R_{K}}
{R_{K}}={R_{E}} + {R_{F}}
Engewiderstand
Der Engewiderstand entsteht durch die Unebenheiten einer Kontaktfläche.
{R_{E}}\text{\textasciitilde}{\frac 1 {A_{Berührungsfläche}}}
{R_{E}}={ρ*K} * {\sqrt{\frac H {F}}}
{ρ} ≜ {spez.\medspace Widerstand}
{K} ≜ {Konstante < 1}, {empririsch\medspace ermittelt}
{H} ≜Härte
{F} ≜ Kontaktkraft
{2\medspace Materialien} : {H\medspace kleinere\medspace Wert}, {ρ\medspace arithm.\medspace Mittelwert}
Fremsschichtwiderstand
Durch Korrosion (z. B. Oxidation) entsteht auf der Kontaktoberfläche eine Fremdschicht, die den Widerstand erhöht.
{R_{F}}={ρ_{F}} * {\frac d {A}}
{ρ_{F}} ≜ {spez.\medspace Widerstand\medspace der\medspace Schicht}
{d} ≜ {Schichtdicke}
{A} ≜ {wahre\medspace Berührungsfläche}
Kontaktwiderstand-Tabelle: 4 Materialien mit hoher Leitfähigkeit
Materialien mit einer hohen Leitfähigkeit, haben meistens auch einen guten Kontaktwiderstand.
In der folgenden Tabelle sind Werte verschiedener Materialien zusammengefasst:
| Material | Spezifischer Widerstand (Ω · m) | Besonderheit |
|---|---|---|
| Kupfer | {1,68 * {10^{-8}}} | Wird sehr häufig für elektrische Kontakte verwendet. |
| Silber | {1,59 * {10^{-8}}} | Besitzt die höchste elektrische Leitfähigkeit unter allen Metallen. |
| Gold | {2,44 * {10^{-8}}} | Zeichnet sich besonders durch chemische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit aus. |
| Platin | {10,6 * {10^{-8}}} | Verfügt über eine hohe thermische Stabilität. |
Achtung
Die Werte können abhängig von Temperatur, Reinheit des Materials, sowie anderen Faktoren abweichen.
Eine gute Kontaktqualität zeichnet sich immer durch die Kombination des richtigen Materials mit einer sorgfältigen Montage aus.
Um den Kontaktwiderstand zu minimieren, kommen auch spezielle Beschichtungen und Techniken zum Einsatz.
Die Kontaktfläche kann z.B. durch Verbindungsmaterialien wie Leitkleber verbessert werden.
Was ist ein thermischer Kontaktwiderstand?
Die Übertragung der Wärme an den Grenzflächen zweier fester Körtper wird durch den thermischen Kontaktwiderstand gekennzeichnet.
Niedriger thermischer Kontaktwiderstand = effiziente Wärmeübertragung
Je niedriger der thermische Kontaktwiderstand, desto effizienter die Wärmeübertragung.
Es gibt verschiedene Wege, um den thermischen Kontaktwiderstand zu berechnen. Bei komplexen Anwendungen werden in der Regel experimentelle Tests und Simulationen durchgeführt, um den Wert genau bestimmen zu können.
Die nachfolgende Tabelle ist beispielhaft und dient zur groben Orientierung.
Thermischer Kontaktwiderstand: Tabelle
| Material | Thermischer Kontaktwiderstand (K/W) |
|---|---|
| Kupfer | 0,000001 — 0,000006 |
| Aluminium | 0,00002 — 0,00005 |
| Silber | 0,000001 — 0,000003 |
Verschiedene Bezeichnungen für Kontaktwiderstand
Der Kontaktwiderstand hat viele verschiedene Bezeichnungen in der Elektrotechnik, deren Nutzung im Wesentlichen mit dem jeweiligen Kontext und Fachgebiet zusammenhängt.
Einige davon sind:
| Art | Beschreibung |
|---|---|
| Übergangswiderstand | Beschreibt den Widerstand an der Verbindungsstelle zwischen zwei elektrischen Kontakten und wird synonym zu Kontaktwiderstand verwendet. |
| Verbindungswiderstand | Spezifiziert den Widerstand, der an einer elektrischen Verbindung wegen des Kontaktwiderstandes auftritt. |
| Kontaktimpedanz | Bezieht sich auf den Blindwiderstand (Reaktanz) und auf den kombinierten Widerstand in einem elektrischen System. |
| Stromübergangswiderstand | Dient zur Beschreibung des Widerstandes, der entsteht, wenn eine Stromübertragung von einem Material auf ein anderes erfolgt. |
| Grenzflächenwiderstand | Dieser Begriff wird genutzt, um den Widerstand zu beschreiben, der an der Grenzfläche zwischen zwei miteinander in Kontakt kommenden Materialien auftritt. |
Gleiche Grundlage
Auch wenn die Begriffe variieren können, sollte man sich nicht irritieren lassen!
Schließlich basieren sie auf den gleichen physikalischen Phänomenen und beschreiben den Kontaktwiderstand an der Schnittstelle von elektrischen Verbindungen.